CN107147151B - 一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法,基于VSG的有功‑频率控制策略稳态呈现下垂特性，得到

为等效下垂系数，通过设置等效下垂系数与逆变器容量成反比来实现并联逆变器有功功率的比例分配，利用分布式一致性算法调整下垂曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺值的收敛；实现具有同步发电机特性的并联逆变器的有功和无功功率的合理分配。本发明的功率分配控制策略鲁棒性能强、可靠性高、功率分配效果好，为微电网孤岛运行模式下逆变器的并联控制提供了切实可行的解决途径。

Description

一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法

技术领域

本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种具 有同步发电机特性逆变器的并联功率分配控制方法。

背景技术

随着社会与经济的发展，人们对电网的要求越来越高，为解决传 统电网供电集中、对环境污染大等弊端，越来越多的研究人员将研究 重点着眼在分布式发电(distributed generation,DG)技术。现有 技术中多数分布式电源需要以电力电子逆变器作为接口并入电网或直 接为负荷供电，但基于电力电子逆变接口的分布式电源几乎不存在转 动惯量与阻尼特性，其渗透率的不断提高将影响电力系统的动态响应 与稳定性。针对这一问题，部分学者提出了“虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)”的概念，即通过模拟同步发电机的 机械方程和电磁方程，使得逆变器在机理上与外特性上具有同步发电 机的特性。

现有技术中应用于微电网并联逆变器的功率分配控制策略按微电 网的控制方式可以分为三类：分散式、集中式与分布式控制方式。分 散式控制方式中，逆变器之间不需要进行通信，只需本地信息即可， 成本低且易于实现，但该类方法功率分配精度低、鲁棒性能差；集中 式控制方式通过中央控制器实现了并联逆变器间功率的比例分配，功 率分配精度高且鲁棒性强，但该类方法对中央控制器依赖性太强，系 统可靠性低；分布式控制方式结合了分散式与集中式控制的优点，相 邻逆变器之间可以进行信息交换，不依赖于中央控制器，因而可靠性 高，如果结合相应的控制算法，即可实现并联逆变器间功率的合理分配。

现有技术的微电网中往往包含多台并联逆变器，且每台逆变器的 容量一般较小，即单台逆变器难以满足整个微电网孤岛运行时的负荷 需求，因此希望各逆变器可以按照其额定容量比承担负荷功率。对于 采用传统有功-频率、无功-电压下垂控制的并联逆变器而言，由于频 率为全局变量，只需设置有功-频率下垂系数满足与逆变器额定容量成 反比即可实现有功功率在并联逆变器间的比例分配；但是要想实现无 功功率的比例分配，除了需设置无功-电压下垂系数与逆变器额定容量 成反比外，还需逆变器的等效输出阻抗满足与逆变器额定容量成反比 的条件，但在现有技术中逆变器的等效输出阻抗与逆变器额定容量成 反比往往难以满足，因此需要采取一定的控制策略才能实现无功功率 的比例分配。现有技术中采用的VSG技术的本质是对传统下垂控制的 有功-频率方程进行了改进，使其在暂态过程中呈现出了惯量与阻尼特 性，因此，基于VSG技术的并联逆变器的有功功率比例分配的条件有 待确定。而对于无功-电压控制方面，VSG技术与传统下垂控制没有区别，故现有技术的基于VSG控制的并联逆变器仍存在无功功率合理分 配难以实现的问题。

因此希望有一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法对现 有技术中的微电网控制进行改进，是未来节能控制管理系统发展的一 种方向，是现有技术研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步发电机逆变器的并联功率分配控 制方法，用于解决具有同步发电机特性逆变器的并联功率分配问题。 对于有功功率的分配，旨在明确其相关参数与传统有功-频率下垂控制 的对应关系，进而确定有功功率实现按逆变器的额定容量比分配的条 件；针对无功功率的分配，旨在利用微电网的分布式控制方式，并结 合相应的分布式控制方法，实现无功功率在各并联逆变器之间的比例 分配。

为实现上述目的，本发明提供一种同步发电机逆变器的并联功率 分配控制方法，包括以下步骤：

1)基于VSG的有功-频率控制策略稳态呈现下垂特性，得到

为等效下垂系数，通过设置等效下垂系数与逆变器容量成反比来实现 并联逆变器有功功率的比例分配；

2)利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略的下垂控制进行 改进，通过调整下垂曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺 值的收敛；

3)实现具有同步发电机特性的并联逆变器的有功和无功功率的合 理分配。

优选地，所述基于VSG的有功-频率控制策略的表示方程为：

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，P₀为有功功率参考值，P_e为 电磁功率，ω₀为同步电角速度，ω为实际电角速度，k_ω为调频系数，对 公式②进行推导，当J′＝Jω₀、D′＝Dω₀时，公式②简化为：

在稳态条件下，忽略逆变器电压电流内环控制的误差，则ω_ref＝ω成 立，故稳态输出频率为：

基于VSG的有功-频率控制策略的稳态呈现下垂特性，而

为 其等效下垂系数，其中D′＝Dω₀，因而需要设置并联VSG逆变器的等效 下垂系数与其额定容量成反比，即可满足有功功率比例分配的条件。

优选地，利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略进行改进， 改进后的下垂控制方程式为：

其中，k_E为下垂系数，Q为逆变器输出的无功功率，Q₀和E₀分别为 无功功率和电压参考值，

和

为无功功率的标幺值，其分别满足：

dE_i根据分布式一致性算法得到，其通过调整下垂 曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺值的收敛，系数b的 大小直接影响一致性算法的收敛速度，a_ij代表逆变器i与逆变器j之 间的通信连接情况，如果逆变器i能直接收到逆变器j的信息，则 a_ij＝1，否则a_ij＝0。

本发明的同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法的详细控制 流程如下：

1)、确定基于VSG技术的逆变器的有功-频率控制方法，利用同步 发电机的转子运动方程为：

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，P_m和P_e分别为机械功率和电 磁功率，在极对数为1的情况下，ω₀为同步电角速度，ω为实际电角速 度，θ为电角度。

为了模拟同步发电机的机械特性，将转子运动方程引入到逆变器 的有功-频率控制策略中，使逆变器具有惯量与阻尼特性，控制框图如 附图1所示。其中，P₀为有功功率参考值，k_ω为调频系数，ω_ref和θ_ref分 别为逆变器电压电流内环控制的角频率与相角给定值。

参见附图1，首先同步电角速度ω₀与实际电角速度ω之差乘以调频系数 k_ω后再加上有功功率参考值P₀得到机械功率P_m，机械功率P_m与电磁功率 P_e之差再除以ω₀为转矩差，其经过惯性与阻尼环节

后得到角频率 差Δω，再加上ω₀之后得到角频率的给定值ω_ref，再积分得到相角的给定 值θ_ref。

2)、将所述基于VSG的有功-频率控制策略用方程表示为：

对公式②进行推导，当J′＝Jω₀、D′＝Dω₀时，公式②简化为：

在稳态条件下，忽略逆变器电压电流内环控制的误差，则ω_ref＝ω成 立，故稳态输出频率为：

基于VSG的有功-频率控制策略的稳态呈现下垂特性，而

为 其等效下垂系数，其中D′＝Dω₀，因而需要设置并联VSG逆变器的等效 下垂系数与其额定容量成反比，即可满足各并联逆变器有功功率比例 分配的条件。

3)、确定基于VSG技术的逆变器的无功-电压控制方法，由于微电 网孤岛运行模式下无功-电压控制的主要目的是控制逆变电源的输出 电压，因此采用下垂控制，其控制框图如图2所示。其中，k_E为下垂 系数，Q为逆变器输出的无功功率，Q₀和E₀分别为无功功率和电压参考 值，E_ref为电压给定值。

参见附图2，逆变器输出的无功功率Q减去无功功率的参考值Q₀后 再乘以下垂系数k_E即可得到电压差ΔE，电压参考值E₀减去ΔE后得到电压 有效值的给定值。

4)、利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略进行改进，改进 后的下垂控制方程式为：

其中，

为无功功率的标幺值，其分别满足：

dE_i根据分布式一致性算法得到，其通过调整下垂曲线的偏置量来实现 各并联逆变器无功功率标幺值的收敛，系数b的大小会直接影响一致 性算法的收敛速度，a_ij代表逆变器i与逆变器j之间的通信连接情况， 如果逆变器i能直接收到逆变器j的信息，则a_ij＝1，否则a_ij＝0。

5)、按照以上方法，即可实现对具有同步发电机特性的并联逆变 器的有功和无功功率的合理分配。

本发明的有益效果是：

针对现有技术中同步发电机特性的并联逆变器间功率难以实现合 理分配的问题，提出了有功和无功功率的分配方法。针对有功功率的 分配问题，提出了等效下垂系数的概念，得出了有功功率合理分配的 条件是等效下垂系数与逆变器的额定容量成反比；针对无功功率的分 配问题，提出了基于分布式一致性算法的控制策略，使得稳态时各逆 变器输出无功功率的标幺值均收敛到同一值，进而实现无功功率的比 例分配。所提的功率分配控制策略鲁棒性能强、可靠性高、功率分配 效果好，为微电网孤岛运行模式下逆变器的并联控制提供了切实可行 的解决途径。

附图说明

附图1为本发明基于VSG的有功-频率控制框图；

附图2为本发明无功-电压控制框图；

附图3(a)为本发明微电网系统简化模型仿真示意图；

附图3(b)为本发明微电网系统通信网络结构仿真示意图；

附图4(a)为本发明有功功率仿真结果示意图；

附图4(b)为本发明频率仿真结果示意图；

附图4(c)为本发明无功功率仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合 本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细 的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元 件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例 性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图 对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、 “横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不 是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位 构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明一宽泛实施例中：一种同步发电机逆变器的并联功率分 配控制方法，包括以下步骤：

1)基于VSG的有功-频率控制策略稳态呈现下垂特性，得到

为等效下垂系数，通过设置等效下垂系数与逆变器容量成反比来实现 并联逆变器有功功率的比例分配；

2)利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略的下垂控制进行 改进，通过调整下垂曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺 值的收敛；

3)实现具有同步发电机特性的并联逆变器的有功和无功功率的合 理分配。

本发明针对现有技术中同步发电机特性的并联逆变器间功率难以 实现合理分配的问题，提出了有功和无功功率的分配方法。针对有功 功率的分配问题，提出了等效下垂系数的概念，得出了有功功率合理 分配的条件是等效下垂系数与逆变器的额定容量成反比；针对无功功 率的分配问题，提出了基于分布式一致性算法的控制策略，使得稳态 时各逆变器输出无功功率的标幺值均收敛到同一值，进而实现无功功 率的比例分配。所提的功率分配控制策略鲁棒性能强、可靠性高、功 率分配效果好，为微电网孤岛运行模式下逆变器的并联控制提供了切 实可行的解决途径。

现在根据附图1-2对本发明的同步发电机逆变器的并联功率分配 控制方法的详细控制流程如下：

1)、确定基于VSG技术的逆变器的有功-频率控制方法，利用同步 发电机的转子运动方程为：

其中，J为转动惯量，D为阻尼系数，P_m和P_e分别为机械功率和电 磁功率，在极对数为1的情况下，ω₀为同步电角速度，ω为实际电角速 度，θ为电角度。

为了模拟同步发电机的机械特性，将转子运动方程引入到逆变器 的基于VSG的有功-频率控制策略中，使逆变器具有惯量与阻尼特性， 控制框图如附图1所示。其中，P₀为有功功率参考值，k_ω为调频系数， ω_ref和θ_ref分别为逆变器电压电流内环控制的角频率与相角给定值。

参见附图1，首先同步电角速度ω₀与实际电角速度ω之差乘以调频 系数k_ω后再加上有功功率参考值P₀得到机械功率P_m，机械功率P_m与电磁 功率P_e之差再除以ω₀为转矩差，其经过惯性与阻尼环节

后得到角 频率差Δω，再加上ω₀之后得到角频率的的给定值ω_ref，再积分得到相角 的给定值θ_ref。

2)、将所述基于VSG的有功-频率控制策略用方程表示为：

对公式②进行推导，当J′＝Jω₀、D′＝Dω₀时，公式②简化为：

在稳态条件下，忽略逆变器电压电流内环控制的误差，则ω_ref＝ω成 立，故稳态输出频率为：

基于VSG的有功-频率控制策略的稳态呈现下垂特性，而

为 其等效下垂系数，其中D′＝Dω₀，因而需要设置并联VSG逆变器的等效 下垂系数与其额定容量成反比，即可满足各并联逆变器有功功率比例 分配的条件。

3)、确定基于VSG技术的逆变器的无功-电压控制方法，由于微电 网孤岛运行模式下无功-电压控制的主要目的是控制逆变电源的输出 电压，因此采用下垂控制，其控制框图如图2所示。其中，k_E为下垂 系数，Q为逆变器输出的无功功率，Q₀和E₀分别为无功功率和电压参考 值，E_ref为电压给定值。

参见附图2，逆变器输出的无功功率Q减去无功功率的参考值Q₀后 再乘以下垂系数k_E即可得到电压差ΔE，电压参考值E₀减去ΔE后得到电压 有效值的给定值。

4)、利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略进行改进，改进 后的下垂控制方程式为：

其中，

为无功功率的标幺值，其分别满足：

dE_i根据分布式一致性算法得到，其通过调整下垂曲线的偏置量来实现 各并联逆变器无功功率标幺值的收敛，系数b的大小会直接影响一致 性算法的收敛速度，a_ij代表逆变器i与逆变器j之间的通信连接情况， 如果逆变器i能直接收到逆变器j的信息，则a_ij＝1，否则a_ij＝0。

5)、按照以上方法，即可实现对具有同步发电机特性的并联逆变 器的有功和无功功率的合理分配。

结合附图1-4对本发明应用的具体实施方案进行描述。

对于有功-频率控制而言，需要设置等效下垂系数

满足与逆 变器的额定容量成反比，进而按照图1的控制方式得到逆变器的角频 率与相角给定值即可；对于无功-电压控制而言，按照改进的下垂控制 方程式

获得逆变器的电压有效值给定即可。得 到逆变器的相角与电压有效值的给定值之后，即可对逆变器进行控制， 使其输出电压的相位与电压有效值跟随给定值即可。

利用MATLAB仿真软件搭建了微电网的仿真模型，以验证本方法的 正确性。图3(a)、(b)分别给出了微电网系统的简化模型和相应的 通信网络拓扑。

仿真系统的额定电压有效值和频率分别为220V、50Hz，即E₀＝220V、 ω₀＝314rad/s。四台分布式电源DG1～DG4的额定容量比为2:2:1:1，具体 的功率参数为：额定有功功率满足P₀₁＝P₀₂＝10kW、P₀₃＝P₀₄＝5kW，额定无功 功率满足Q₀₁＝Q₀₂＝4kVar、Q₀₃＝Q₀₄＝2kVar。微源的等效输出阻抗为 X_g1＝X_g2＝X_g3＝X_g4＝2mH，线路阻抗为Z₁₂＝(0.6+j0.8)Ω、Z₂₃＝(0.3+j0.5)Ω、 Z₃₄＝(0.7+j0.5)Ω。负荷参数为：P_L1＝P_L3＝4kW、P_L2＝3kW、P_L4＝2kW、 Q_L1＝Q_L2＝Q_L4＝1kVar、Q_L3＝1.5kVar。

基于VSG算法的有功-频率控制参数为：J₁ω₀＝J₂ω₀＝200、J₃ω₀＝J₄ω₀＝100、k_ω1＝k_ω2＝3000、k_ω3＝k_ω4＝1500、D₁ω₀＝D₂ω₀＝4000、D₃ω₀＝D₄ω₀＝2000；无功-电压控制参数为：k_E1＝k_E2＝0.0022、k_E3＝k_E4＝0.0044，b＝100。

本方法中四台分布式电源之间构成了如图3(b)所示的环形通信 结构，每台逆变器与另外两台之间进行双向通信，该通信拓扑满足对 称性与强连通性，且具有最小的冗余度，即微电网中出现单台分布式 电源故障或者某一通信回路故障时，通信拓扑图仍是对称且强连通的， 为分布式一致性算法的收敛性提供了保障。

图4给出了四台分布式电源的有功功率、频率、无功功率的仿真 波形，仿真条件设置为：1.5s前采用传统的VSG控制策略，1.5s后加 入基于分布式一致性算法的无功功率分配策略，2.5s时DG2的本地负 荷突增6kW、2kVar。

由于仿真参数的设置满足有功-频率控制的等效下垂系数与逆变 器额定容量成反比的条件，图4(a)表明有功功率在四台逆变器之间 实现了比例分配，验证了理论分析的正确性；由于使用了VSG控制策 略使得逆变器具有了惯量特性，2.5s时微电网负荷突增，图4(b)给 出了DG1与DG2的输出频率，其在负荷突增后均缓慢下降，并最终过 渡到新的稳态；对于无功功率的分配，由于1.5s前采用的是传统的无 功-电压下垂方法，由图4(c)可知，无功功率在四台逆变器之间并 没有实现比例分配，1.5s后切换为改进的无功功率控制策略，经过调 节后，四台逆变器输出的无功功率实现了按逆变器额定容量成比例分 配，2.5s时微电网负荷突增，系统快速过渡到了新的稳态，仿真结果 表明：本发明所提出的控制策略使得逆变器具有了惯量特性，并且保 证了并联逆变器之间有功和无功功率的比例分配。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本 领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的 技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些 修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)基于VSG的有功-频率控制策略稳态呈现下垂特性，得到

为等效下垂系数，其中k_ω为调频系数，通过设置等效下垂系数与逆变器容量成反比来实现并联逆变器有功功率的比例分配；

2)利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略的下垂控制进行改进，通过调整下垂曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺值的收敛；

3)实现具有同步发电机特性的并联逆变器的有功和无功功率的合理分配；

所述基于VSG的有功-频率控制策略的表示方程为：

其中，ω_ref角频率的给定值，J为转动惯量，D为阻尼系数，P₀为有功功率参考值，P_e为电磁功率，ω₀为同步电角速度，ω为实际电角速度，k_ω为调频系数，对公式②进行推导，当J′＝Jω₀、D′＝Dω₀时，公式②简化为：

在稳态条件下，忽略逆变器电压电流内环控制的误差，则ω_ref＝ω成立，故稳态输出频率为：

基于VSG的有功-频率控制策略的稳态呈现下垂特性，而

为其等效下垂系数，其中D′＝Dω₀，因而需要设置并联VSG逆变器的等效下垂系数与其额定容量成反比，即可满足有功功率比例分配的条件。

2.根据权利要求1所述的一种同步发电机逆变器的并联功率分配控制方法，其特征在于：利用分布式一致性算法对无功-电压控制策略进行改进，改进后的下垂控制方程式为：

其中，k_E为下垂系数，Q为逆变器输出的无功功率,Q₀和E₀分别为无功功率和电压参考值，

和

为无功功率的标幺值，其分别满足：

dE_i根据分布式一致性算法得到，其通过调整下垂曲线的偏置量来实现各并联逆变器无功功率标幺值的收敛，系数b的大小直接影响一致性算法的收敛速度，a_ij代表逆变器i与逆变器j之间的通信连接情况，如果逆变器i能直接收到逆变器j的信息，则a_ij＝1，否则a_ij＝0。

Images